سایه یکی از مهمترین عواملی است که میتواند عملکرد پنلهای خورشیدی را تحت تأثیر قرار دهد. حتی مقدار کمی سایه میتواند خروجی انرژی یک آرایه خورشیدی را کاهش دهد. درک جزئیات تاثیر سایه برای هر کسی که با انرژی خورشیدی سروکار دارد، از مالکان خانههایی که نصب پنل روی سقف را در نظر دارند تا توسعهدهندگان مزرعههای خورشیدی بزرگ، ضروری است.
سایهاندازی زمانی رخ میدهد که یک شیء جلوی رسیدن نور خورشید به سطح پنل خورشیدی را بگیرد. این مانع میتواند ناشی از عوامل مختلفی باشد، از جمله:
- درختان و پوشش گیاهی
- ساختمانهای مجاور
- سازههای سقف (شومینهها، هواکشها، آنتنها)
- موانع موقتی (برف، برگها، فضولات پرندگان)
- سایهزنی خود پنلها بر یکدیگر در آرایه
تأثیر سایهاندازی فراتر از کاهش ساده نور روی ناحیه سایهدار است. به دلیل اتصال سلولها درون یک پنل و اتصال پنلها در یک آرایه، سایه میتواند تأثیراتی داشته باشد که کارایی کل سیستم را بسیار بیشتر از چیزی که انتظار میرود کاهش دهد.
برای درک تأثیر سایه، ضروری است که اصول اولیه فناوری سلول خورشیدی و ساختار پنلها را بدانیم.
اصول سلول خورشیدی
سلولهای خورشیدی، که به آنها سلول فتوولتائیک نیز گفته میشود، واحدهای اصلی یک پنل خورشیدی هستند. آنها نور خورشید را مستقیماً به برق تبدیل میکنند. رایجترین انواع سلولهای خورشیدی عبارتند از:
- سیلیکون تکبلوری (Monocrystalline Silicon): ساخته شده از یک ساختار کریستالی واحد، با کارایی بالا اما هزینه بیشتر.
- سیلیکون چندبلوری (Polycrystalline Silicon): ساخته شده از چند ساختار کریستالی، کمی کمتر کارآمد اما مقرون به صرفهتر.
- فیلم نازک (Thin-Film): با قرار دادن یک یا چند لایه نازک از مواد فتوولتائیک روی یک بستر، کارایی کمتر اما انعطافپذیر و تولید ارزانتر ممکن است.
در نورسان انرژی بخوانید:
کدام پنل خورشیدی بهتر است؟ مقایسه انواع پنل خورشیدی
یک پنل خورشیدی معمولی شامل
- چندین سلول خورشیدی
- پوشش شیشهای محافظ
- ماده کپسولهکننده (معمولاً EVA – اتیلن وینیل استات)
- بکشیت برای عایقبندی
- قاب آلومینیومی
سلولهای خورشیدی درون یک پنل معمولاً به صورت سری به هم متصل میشوند تا ولتاژ افزایش یابد. این اتصال سری اهمیت زیادی در درک اثرات سایهزنی دارد.
انواع سایهاندازی روی پنل خورشیدی و موانع
سایهو موانع میتوانند به اشکال مختلف ظاهر شوند، هر کدام با ویژگیها و تأثیرات خاص خود بر عملکرد پنل خورشیدی. در ادامه انواع سایه را مورد بررسی قرار میدهیم.
1. سایهاندازی نرم
سایه نرم زمانی رخ میدهد که یک شیء نور خورشید را تا حدی کاهش دهد اما کاملاً مسدود نکند. مثل ابرهای سبک، مه یا آلودگی جوی یا شاخهها یا برگهای سبک درختان. سایهزنی نرم معمولاً کاهش یکنواختی در خروجی برق سلولها یا پنلهای تحت تأثیر ایجاد میکند.
2. سایه سخت
سایهزنی سخت شامل مسدود شدن کامل نور خورشید به بخشی از پنل است. مثال اجسام جامد مانند شومینه یا دیش ماهواره، شاخههای متراکم درختان و ساختمانهای مجاور. سایهزنی سخت میتواند اثرات شدید داشته باشد و ممکن است کل رشته سلولها یا پنلها را از کار بیندازد.
3. سایهاندازی پویا
سایهزنی پویا در طول روز یا بهصورت فصلی تغییر میکند. مثل سایههای ابرهای متحرک، تغییرات فصلی در برگهای درختان یا سایههایی که با حرکت خورشید جابجا میشوند. سایهزنی پویا میتواند پیشبینینشده باشد و نیازمند طراحی و فناوری پیشرفته است.
4. سایهاندازی لبهای
سایهزنی لبهای محیط آرایههای خورشیدی را تحت تأثیر قرار میدهد و معمولاً ناشی از لبهها و نردههای سقف، سختافزار نصب و سایهزنی خود آرایه در ردیفهای مجاور میشود. این نوع سایه اندازی اگرچه اغلب اجتنابناپذیر است، میتوان آن را با طراحی دقیق سیستم کاهش داد.
5. سایهاندازی یکنواخت
سایهزنی یکنواخت کل آرایه خورشیدی را به یک اندازه تحت تأثیر قرار میدهد. مثل ابر سنگین، انباشته شدن گرد و غبار یا خاک یا پوشش برف. این نوع سایه اگرچه قابل توجه است، سایهزنی یکنواخت معمولاً باعث از دست رفتن برق به صورت نامتناسب نمیشود.
علم پشت اثرات سایه بر پنل خورشیدی
تأثیر سایه روی پنلهای خورشیدی فراتر از از دست دادن ساده نور است. چندین پدیده الکتریکی باعث کاهش نامتناسب توان در اثر سایه میشوند.
اتصال سری و ناهماهنگی ولتاژ
سلولهای خورشیدی درون یک پنل معمولاً به صورت سری به هم متصلاند تا ولتاژ مورد نیاز حاصل شود. وقتی یک سلول سایهدار شود ولتاژ آن به شدت کاهش مییابد، جریان کل رشته سلولها محدود میشود و سلول سایهدار میتواند معکوس قطبی شود و احتمال ایجاد نقاط داغ و آسیب وجود دارد.
دیودهای عبوری
برای کاهش اثرات سایهزنی، پنلهای خورشیدی مجهز به دیودهای عبوری هستند. معمولاً یک دیود عبوری برای هر 20-24 سلول استفاده میشود. وقتی یک بخش سایهدار میشود، دیود عبوری فعال میشود و جریان را از سلولهای سایهدار عبور میدهد. این کار از از دست رفتن کامل برق جلوگیری میکند اما همچنان خروجی کاهش مییابد.
اثر چراغهای کریسمس
این پدیده به نام اثر «چراغهای کریسمس شناخته میشود، زیرا شبیه به نحوه خرابی رشتههای قدیمی چراغ کریسمس بود که اگر یک لامپ میسوخت، کل رشته خاموش میشد. در یک پنل خورشیدی بدون دیودهای عبوری، یک سلول سایهدار میتواند بهطور چشمگیری خروجی کل پنل را کاهش دهد. دیودهای عبوری این اثر را کاهش میدهند، اما بهطور کامل از بین نمیبرند.
تغییرات منحنی جریان-ولتاژ
سایه روی پنل خورشیدی باعث تغییرات در منحنی جریان-ولتاژ پنل میشود. در این شرایط نقطه توان حداکثر (MPP) تغییر میکند. چندین ماکسیمم محلی ممکن است روی منحنی I-V ظاهر شود، که ردیابی MPP را برای الگوریتمها دشوار میکند.
تأثیرات دمایی
سایه روی پنل خورشیدی میتواند باعث عدم تعادل دما در سراسر پنل شود. سلولهای سایهدار ممکن است به دلیل شرایط معکوس بایاس گرم شوند. تفاوتهای دمایی میتواند باعث تنش در مواد پنل و ایجاد عدم تعادلهای الکتریکی بیشتر شود.
راهکارهای حل مشکل سایه روی پنل خورشیدی
با رشد صنعت خورشیدی، فناوریهای مختلفی برای مقابله با چالشهای ناشی از سایهاندازی روی پنل خورشیدی توسعه یافتهاند. برخی از مهمترین نوآوریها عبارتند از:
1. بهینهسازهای توان
بهینهسازهای توان مبدلهای DC به DC هستند که روی هر پنل نصب میشوند؛ خروجی هر پنل را بهصورت مستقل بهینه میکنند، اجازه میدهند هر پنل در نقطه توان حداکثر (MPP) خود عمل کند. مزایای این روش بهبود قابل توجه در شرایط سایهزنی جزئی و مانیتورینگ سطح پنل برای عیبیابی آسانتر است و معایب آن نیز هزینه سختافزاری اضافی و کاهش کارایی در شرایط بدون سایه است.
2. میکرواینورترها
میکرواینورترها اینورترهای کوچکی هستند که به هر پنل خورشیدی متصل میشوند. میکرواینورتر جریان DC را در سطح پنل به AC تبدیل میکنند. هر پنل بهصورت مستقل عمل میکند، و تأثیر سایهزنی روی کل سیستم کاهش مییابد. مزایای استفاده از این روش عملکرد عالی در شرایط سایهزنی جزئی، حذف نقطه خرابی واحد و گسترش آسان سیستم است. معایب این روش نیز هزینه اولیه بالاتر و نصب پیچیدهتر است.
در فروشگاه نورسان انرژی ببینید:
3. فناوری نیمسلولی
ماژولهای نیمسلولی سلولهای سنتی را به نصف تقسیم میکنند. با این کار، مقاومت داخلی کاهش مییابد و کارایی افزایش مییابد. همچنین پنل کمتر تحت تأثیر سایهزنی جزئی قرار میگیرد. مزایای این کار این است که عملکرد در سایهاندازی جزئی بهتر شده، ضریب دمایی بهترو کارایی کلی افزایش مییابد. عیب این روش نیز این است که هزینه تولید افزایش مییابد.
4. اینورترهای چند MPPT
اینورترهای رشتهای با چند ردیاب نقطه توان حداکثر (MPPT)اجازه میدهند رشتههای مختلف پنلها در ولتاژهای متفاوت کار کنند. این اینورترها میتوانند اثر سایهزنی را وقتی الگوهای سایه در آرایه متفاوت است کاهش دهند. مزایای این اینورترها این است که در شرایط سایهاندازی متنوع عملکرد بهتری دارند و برای سیستمهای بزرگ مقرون به صرفه هستند. عیب این اینورترها نسبت به بهینهسازی در سطح پنل، برای سایهزنی پیچیده کمتر مؤثر است.
5. پنلهای دو رو
پنلهای دو رو میتوانند نور را از هر دو طرف جذب کنند. این پنلها نور منعکس شده از زمین یا سطوح مجاور را دریافت میکنند و میتوانند بخشی از سایهاندازی جلو را جبران کنند.
مزایای پنل های خورشیدی دو طرفه افزایش تولید انرژی و عملکرد بهتر در برخی شرایط سایهزنی جزئی است. عیب این پنلها نیز نیاز به شرایط نصب خاص برای حداکثر بهره و هزینه اولیه بالاتر است.
استراتژیهای طراحی برای کاهش تاثیر سایه روی پنل خورشیدی
در حالی که راهکارهای فناوری میتوانند اثرات سایه بر پنل خورشیدی را کاهش دهند، بهترین روش، به حداقل رساندن تاثیر سایه از طریق طراحی دقیق سیستم است. استراتژیهای کلیدی عبارتند از:
1. بررسی کامل محل نصب
- تحلیل دقیق سایه با استفاده از ابزارهایی مانند مسیریاب خورشیدی یا نرمافزار مدلسازی ۳D
- در نظر گرفتن تغییرات فصلی الگوهای سایه
- شناسایی تمام موانع بالقوه، شامل رشد درختان یا ساخت و سازهای برنامهریزیشده
2. قرارگیری بهینه پنلها
- پنلها را طوری قرار دهید که از منابع شناختهشده سایه دور باشند.
- در نیمکره شمالی، نصبهای رو به جنوب معمولاً بیشترین نور خورشید را دریافت میکنند.
- نصبهای شرق-غرب برای تولید یکنواخت روزانه مناسب هستند.
3. زاویه و شیب پنل
- شیب پنل را برای عرض جغرافیایی محلی و زاویههای خورشید فصلی تنظیم کنید.
- گاهی شیب غیر بهینه ممکن است برای جلوگیری از سایهزنی بهتر باشد.
4. بهینهسازی چیدمان آرایه
- طراحی آرایه برای حداقل کردن سایهاندازی خودی، بهویژه در نصبهای بزرگ.
- استفاده از جهت افقی برای نصبهای مسکونی برای کاهش تأثیر موانع افقی
5. پیکربندی رشتهها
- پنلها با الگوهای سایه مشابه را در یک رشته قرار دهید.
- استفاده از چند اینورتر یا اینورترهای چند MPPT برای مدیریت شرایط سایهزنی متفاوت در آرایه.
6. فضا و عقبنشینی
- حفظ فاصله کافی از لبههای سقف و موانع
- رعایت الزامات کد آتشنشانی محلی که اغلب با شیوههای خوب کاهش سایهاندازی همراستا هستند.
7. مدیریت درختان
- هرس انتخابی یا حذف درختانی که سایه قابل توجه ایجاد میکنند.
- برنامهریزی برای رشد آینده درختان در طراحی سیستم
8. نصبهای بلند شده
- در برخی موارد، ارتقاء کل آرایه میتواند از موانع سطح زمین جلوگیری کند.
- این روش در مزارع بزرگ خورشیدی برای جلوگیری از سایه پوشش گیاهی رایج است.
9. آرایههای تقسیمشده
- برای سازههای سقف پیچیده، تقسیم آرایه در چند وجه سقف در نظر گرفته شود.
- این کار میتواند از مناطق سایهدار جلوگیری کرده و اندازه کلی سیستم را به حداکثر برساند.
10. آمادهسازی برای آینده
- طراحی با در نظر گرفتن موانع احتمالی آینده
- جا گذاشتن فضای کافی برای گسترش سیستم در مناطق بدون سایه
اثرات اقتصادی سایه بر سیستمهای خورشیدی
درک تاثیر اقتصادی سایه بر سیستمهای خورشیدی برای اتخاذ تصمیمات آگاهانه درباره نصب و مدیریت سایه اهمیت دارد. در ادامه جنبههای مالی این موضوع بررسی شده است.
۱. کاهش مستقیم تولید انرژی: سایه میتواند تولید انرژی سالانه را در سیستمهای مسکونی معمولی بین ۵ تا ۲۵٪ کاهش دهد و در شرایط شدید حتی بیشتر.
۲. تأثیر بر دوره بازگشت سرمایه: سایه میتواند دوره بازگشت سرمایه سیستم را طولانیتر کند. یک سیستم با دوره بازگشت سرمایه 3 سال در شرایط ایدهآل، ممکن است در صورت سایهدار شدن قابل توجه، 5 تا 7 سال طول بکشد تا به نقطه سربهسر برسد.
راهکارهای کاهش سایه
حذف یا هرس درختان: میتواند تولید کامل انرژی را بازیابی کند و در طول عمر سیستم صرفهجویی قابل توجهی ایجاد کند.
بهینهسازهای توان یا میکرواینورترها: میتواند ۲۰ تا ۵۰٪ از کاهش تولید ناشی از سایه را جبران کند.
جابجایی پنلها یا بازطراحی آرایه: در صورت انجام صحیح، مشکلات سایه بهطور کامل برطرف میشود.
اثرات مالی بلندمدت سایه اندازی روی پنل خورشیدی
- مشکلات سایه معمولاً با گذشت زمان بدتر میشوند (مثلاً رشد درختان) و باعث افزایش ضرر میشوند.
- رسیدگی به سایه به شکل پیشگیرانه میتواند تخریب سریعتر پنلها به دلیل نقاط داغ را کاهش دهد.
- برخی راهکارهای مدیریت سایه، مانند میکرواینورترها، مزایای اضافی از جمله افزایش راحتی توسعه سیستم و نظارت بهتر را ارائه میدهند.
۶. فناوریهای آینده برای کاهش اثرات سایه
صنعت خورشیدی در حال توسعه فناوریهایی است که عملکرد سیستم در شرایط سایه را بهبود میبخشد. سلولهای خورشیدی پرولسکایت، بهینهسازها و میکرواینورترهای نسل بعد با کارایی بیشتر، پنلهای شفاف، ساختارهای سهبعدی خورشیدی، پوششهای خودپاکشونده و ضد گرد و غبار، فوتوولتاییک دینامیک، ذخیره انرژی یکپارچه در سطح ماژول و سیستمهای ردیاب خورشیدی از جمله راه هایی است که باعث کاهش اثر سایه بر پنل خورشیدی شود.
جمعبندی
سایه میتواند تولید انرژی و بازده مالی سیستم را کاهش دهد. راهکارهای مدیریت سایه از حذف درخت تا فناوریهای پیشرفته میتوانند ضرر اقتصادی ناشی از سایه را کاهش دهند. فناوریهای نوظهور آینده ممکن است سیستمهای خورشیدی را بهترتیب با تابش پیچیده و سایهدار بهتر سازگار کنند و امکان بهرهوری بیشتر در محیطهای واقعی را فراهم کنند.
با این حال مهم ترین نکته در زمینه تاثیر سایه بر پنل خورشیدی این است که در صورتی که طراحی سیستم به خوبی انجام شود مشکلی از این بابت به وجود نخواهد آمد. در این زمینه شرکت نورسان با سابقه احداث نیروگاه خورشیدی به شما تضمین میدهد که نیروگاه خورشیدی راهاندازی شده همواره بالاترین سطح بازدهی را داشته باشد.
منبع: 8msolar